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National Institute for Materials Science
液中電気泳動現象を利用したセラミックス成形
打越 哲郎* E-mail:[email protected]
Oct 07, 2015 NIMS Forum
Ceramic Shaping Using Electrophoretic Phenomenon of Colloidal
Particles in Liquid
先端材料プロセスユニット・微粒子工学Gr.
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コロイド
真の溶液 コロイド溶液
半透膜 ろ紙
10-10 10-9 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 [m]
コロイド粒子 10-9～10-7 [m]
分子・イオン < 10-9 [m]
沈殿粒子 > 10-7 [m]
コロイド溶液中のコロイド粒子は、正または負に帯電していて互いに電気的に反発しあっているので、コロイド溶液は沈殿せず、均一な液体状態を保っている。
コロイド粒子が他の物質中に均一に分散している状態
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コロイド溶液の性質 チンダル現象
コロイド溶液に横から強い光線を当てると、光がコロイド粒子によって散乱され、光の通路が光って見える現象。 ブラウン運動
コロイド溶液を限外顕微鏡で観察すると、コロイド粒子が光の点として不規則な運動をしているのが見られる。これは、溶媒分子が熱運動によりコロイド粒子に衝突することが原因の運動。これをブラウン運動と呼ぶ。
透析 半透膜によるコロイド溶液の精製操作。 電気泳動
コロイド粒子は正負いずれかに帯電しているため、コロイド溶液に電圧をかけるとどちらかの電極に向かって移動する。この現象を電気泳動という。
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凝析
疎水コロイドが少量の電解質を加えることにより沈殿する現象。コロイド粒子と反対の電荷を持ち、価数の大きいイオンを持つ電解質ほど凝析力は大きい。
塩析 親水コロイドが多量の電解質を加えることにより沈殿する現象
疎水コロイド溶液 親水コロイド溶液 保護コロイド溶液
＋ ＋
＋
＋ ＋ ＋
＋ ＋ ＋
＋ ＋
＋
疎水コロイド 水分子 親水コロイド 親水コロイド（保護コロイド）
コロイド溶液の性質
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EPDプロセスの利点 膜厚の制御された高密度な粒子コーティング 複雑形状の基材上へのセラミックスの直接成形
空間電位ポテンシャルの設計による粒子のマニュピレーション
電気泳動堆積プロセス electrophoretic deposition (EPD)
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＋
＋
＋＋ ＋＋
＋
＋
＋＋ ＋＋＋
＋
＋＋ ＋＋
－
－
－－ －－－
－
－－ －－
－
－
－－ －－Ze
ta-p
oten
tial
pH
e－
OH－
OH－ Bulk liquid
pH localization zone
cathode
EPDにおける電場の役割と粒子堆積のメカニズム
1. 帯電粒子の泳動
2. 電場力による圧密
3. 電極近傍pHの変化 iep
Matching is important
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EPD法による膜厚制御と積層化
λ=450 nm
ITO- glass
SiAlON phosphor
layer
exited yellow light transmitted blue light
Irradiated blue light
pseudo-white light
Pseudo-white light from blue-white to warm-white
β-SiAlON:Eu2+ (green-550nm) Ca-α-SiAlON:Eu2+ (yellow-585nm)
CaAlSiN3:Eu2+ (red-620nm)
Layered deposits J. Ceram. Soc. Jpn., 116, 740 (2008)
J. Ceram. Soc. Jpn., 118, 1 (2010)
SiAlON phosphor
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非導電性基材へのEPD Polypyrrole (conducting polymer) coating
J. Ceram. Soc. Japan, 117, 1246 (2009) Chem.Industry, 697
(2011)
Zeolite L membrane Anode-supported SOFC （GDC/LSGM/GDC layered
composite）
Alumina membrane Surf. & Coat. Tech. 205,
1922 (2010)
Porous alumina tube J. Ceram. Soc. Jpn., 114, 55 (2006)
J. Am. Ceram. Soc., 91, 1674 (2008)
J.P.A. 2007-302627 J.P.A. 2007-244803
Application for a dental crown （Collaboration with a
company）
Porous NiO-YSZ
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Cathodic deposition (z.p. +45mV, pH 4.5)
Anodic deposition (z.p. -50mV, pH 9.6）
*polyanion used
TimeV
olta
ge/ C
urre
nt
TON
TOFF
Continuous DC
Pulsed DC
水系溶媒に適応したEPDプロセス
J. Mater. Res., 16, 321 (2001)
J. Am. Ceram. Soc., 91 3154 (2008), Jpn. Pat. No.4984059
(2012)
Use of pulsed DC Use of Pd electrode
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強磁場配向技術とEPDの融合 (MFA-EPD) E
Bϕ B-E E
Bϕ B-EE
Bϕ B-EE
Bϕ B-E E
Bϕ B-E E
Bϕ B-E
Orientation controlling by altering B and E Key Eng. Mater.,
314, 25 (2006)
J. Mater. Res., 18, 254 (2003) J. Mater. Res., 19, 1487 (2004)
J. Mater. Sci., 39, 861 (2004) J.P. No. 4635189 (2010), J.P.
No.4576522 (2010)
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MFA-EPDによる配向組織の制御
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Phot
o C
urre
nt I,
μA
/(cm
2 )
(a) (b) (c) (d)
preferential-orientation of
(101) plane
c-plane parallel to ITO face c-plane
perpendicular to ITO face
randomly-oriented
Oriented anatase film for DSCC application J. Am. Ceram. Soc.,
92, 984 (2009), J.P.A. 2010-118149
Alumina laminar composite J. Europ. Ceram. Soc., 26, 661-665
(2006).
Application for a thermo electric module Appl. Phys. Lett. 89
(2006) 081912.
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
-30000 -20000 -10000 0 10000 20000 300
Mag
netiz
atio
n(em
u/g)
Field(Oe)
(1)
(2) (1)
(2)
Anisotropic magnetic property of textured hematite Key Eng.
Mater., 507, 227 (2012), J.P. No. 4680272 (2011)
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